aplicaciones de alambres cuánticos semiconductores en baterías2
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICANICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD CULHUACAN
APLICACIONES DE ALAMBRES CUÁNTICOS SEMICONDUCTORES EN
BATERÍAS
P R E S E N T A
JORGE ARTURO TOKUNAGA PÉREZ
ASESORES:
Dr. ELIEL CARVAJAL QUIROZ
Dr. MIGUEL CRUZ IRISSON
15/04/2023 01:18 p. m.
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CONTENIDO
Introducción
Objetivos
Justificación
Baterías
Funcionamiento
Mejoras
Tipos
Nanoalambres
Silicio
Germanio
Resultados
CASTEP
Ge Cristalino
Jorge Arturo Tokunaga Pérez
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OBJETIVOS Hacer una revisión acerca los procesos de síntesis y
caracterización de las nanoestructuras
Comprender el funcionamiento de las diversas técnicas con las que se está trabajando para realizar modelos y simulaciones.
Obtener resultados, de manera teórica, para algunos nanoalambres.
Calcular las propiedades electrónicas de nanoalambres de Germanio pasivados con Hidrógeno
Jorge Arturo Tokunaga Pérez
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JUSTIFICACIÓN Mejorar el desempeño de los dispositivos
Reducción de dimensiones Incremento en el número de aplicaciones Mayor velocidad de procesamiento
Incrementar el número de circuitos no debe implicar mayor tamaño ni perder la portabilidad
Desarrollar nuevas baterías Mayor eficiencia Ciclos de vida mayores Más ligeras Reducir el costo de producción Menor impacto ambiental
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FUNCIONAMIENTO DE UNA BATERÍA
Jorge Arturo Tokunaga Pérez
Ánodo En una pila es el
terminal negativo, pues por definición el ánodo es el polo donde ocurre la reacción de oxidación.
Cátodo Se denomina cátodo al
electrodo positivo de una batería hacia el cual se puede trasportar electrones.
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ASPECTOS SUSCEPTIBLES A MEJORAS EN LAS BATERÍAS Disminuir el volumen Incrementar la densidad energética por
unidad de masa Aumentar la vida útil Utilizar materiales más económicos Disminuir el peligro de explosión por sobre
carga o por calentamiento extremo Impactar en menor medida al medio
ambiente
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COMPARACIÓN ENTRE BATERÍAS
Níquel-Cadmio
Hidruros metálicos y Níquel
Selladas de ácido-plomo
Iones de LiCobalto
Iones de LiManganeso
Iones de LiFosfato
Densidad de Energía 45-80 60-120 30-50 150-190 100-135 90-120
Ciclo de vida (a 80% de su capacidad inicial)
1500 300 a 500 200 a 300 300 a 500 Mejor que300 a 500
>1000 en condiciones
de laboratorio
Tolerancia de Sobrecarga Moderada Baja Alta Baja
Auto-descarga por mes transcurrido
20% 30% 5% <10%
Seguridad
Térmica-mente
estable, se recomiend
a usar fusible
Térmica-mente
estable, se recomienda usar fusible
Térmica-mente estable
Recomienda circuito de protección
estable hasta los 150°C
Recomienda circuito de protección
estable hasta los 250°C
Recomienda circuito de protección
estable hasta los 250°C
Toxicidad
Altamente tóxico y
peligroso para el
ambiente
Relativa-mente
tóxico, debe ser reciclado
Alta-mente
tóxico y peligroso
para el ambiente
Baja toxicidad, en pequeñas cantidades
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Las baterías recargables actualmente son un mercado económicamente muy activo, con ventas mundiales. $36 mil millones en el 2008. Se estima que para el 2013,
la cifra alcance los $51 mil millones.
La aceptación de las baterías de Iones de Litio, aumenta un 20% cada año.
ENFOQUES PARA MEJORAR LAS BATERÍAS DE IONES DE LITIO
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Una gran densidad energética
Rápida recarga
Baja tasa de autodescarga (<10% mensual)
Ciclo de vida prolongado
VENTAJAS DE LAS BATERÍAS DE IONES DE LITIO
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Hay muchas combinaciones posibles en el desarrollo de Baterías de Iones de Litio. Estas se obtienen modificando el ánodo, cátodo o la sustancia electrolítica, las distintas combinaciones se reflejan en el desempeño de las baterías, por ejemplo, (voltaje, densidad energética, ciclos de vida, etc.)
DESARROLLO DE BATERÍAS DE IONES DE LITIO
• Grafito• Óxidos• Silicio• Nanotubos• Nanoalambres
Ánodo
• Carbonatos• Electrolitos sólidos• Líquidos iónicos
Electrolito
• Óxidos metálicos• Fosfato de Hierro• Diversos óxidos
Cátodo
Jorge Arturo Tokunaga Pérez
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Los Nanomateriales pueden tener propiedades únicas debidas al confinamiento cuántico.
PROPIEDADES DE LOS NANOMATERIALES
101 m10 m
100 m1 m
10-1 m10 cm
10-2 m1 cm
10-3 m1 mm
10-4 m100 μm
10-5 m10 μm
10-6 m1 μm
10-7 m100 nm
10-8 m10 nm
10-9 m1 nm
10-10 m1 Å
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Mejor contacto con el colector
Mayor área superficial para permitir la absorción del Litio más efectivamente
Mayor aprovechamiento del material
Con nanomateriales, se ofrece la oportunidad de crear una batería que tenga una alta energía y una densidad energética muy grande.
VENTAJAS DE INTRODUCIR LO NANO EN LAS BATERÍAS
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Es una nanoestructura con diámetro en el orden de un nanómetro.
En estas escalas, los efectos de la mecánica cuántica son muy importantes.
Los nanoalambres podrían ser utilizados para la construcción de circuitos electrónicos más eficientes.
NANOALAMBRES
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Yang P., Yan R., Fardy M., Nano Lett., 10 (5), 1529-1536 (2010).
Núm
ero
de p
ublic
acio
nes
por
año
Año
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El Silicio es un material atractivo para la construcción de ánodos para baterías de iones de Li porque tiene un bajo potencial de descarga y tiene la más alta capacidad de carga teórica conocida (4,200 mAh/g).
Esto es diez veces más grande que los ánodos existentes de grafito y mucho mayor que varios materiales compuestos por nitruros de diversos óxidos
Los ánodos de Si tienen aplicaciones limitadas debido a que el volumen del Si se incrementa en un 400% después de la inserción del Li, esto se convierte en un problema ya que se pulveriza el material.
BATERÍAS DE IONES DE LITIO DE ALTO RENDIMIENTO UTILIZANDO ÁNODOS DE NANOALAMBRES DE SILICIO
Jorge Arturo Tokunaga Pérez
Chan C., et al. Nature Nanotech., 3, 31(2008).
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Antes de Pasivar Después de Pasivar
BATERÍAS DE IONES DE LITIO DE ALTO RENDIMIENTO UTILIZANDO ÁNODOS DE NANOALAMBRES DE SILICIO
Imágenes SEM
Chan C., et al. Nature Nanotech., 3, 31(2008).
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a) Electrodo de una batería tradicional
Mal transporte electrónico
Desperdicio de material
b) Electrodo diseñado con nanoalambres de Ge
Buen transporte electrónico
Mayor aprovechamiento del material
No necesita aditivos
BATERÍAS DE IONES DE LITIO DE ALTA CAPACIDAD UTILIZANDO NANOALAMBRES DE GERMANIO
Chan C., et al. Nano Lett., 8(307), 1(2008).
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Muchos materiales metálicos y semiconductores como Si, Sn, Al, y Bi son conocidos por que permiten trabajar con grandes cantidades de Li; sin embargo, han tenido aplicaciones bastante limitadas debido a su gran aumento en volumen durante la inserción del Li
El Li-Ge (Ge completamente saturado de Li) tiene una capacidad de carga relativamente alta (1600 mAh/g) y un aumento de volumen de sólo el 370%.
La difusividad del Li en el Ge es 400 veces más alta que en el Si, por lo cual, se cree que podría ser un buen material para ser usado en electrodos para ánodos de gran energía.
BATERÍAS DE IONES DE LITIO DE ALTA CAPACIDAD UTILIZANDO NANOALAMBRES DE GERMANIO
Jorge Arturo Tokunaga Pérez
Chan C., et al. Nano Lett., 8(307), 1(2008).
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Antes de Pasivar Después de Pasivar
BATERÍAS DE IONES DE LITIO DE ALTA CAPACIDAD UTILIZANDO NANOALAMBRES DE GERMANIO
Chan C., et al. Nano Lett., 8(307), 1(2008).
Imágenes SEM
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TEORÍA DE LAS FUNCIONALES DE LA DENSIDAD (DFT) Para poder solucionar la ecuación de Schrödinger en un
problema de múltiples cuerpos, se utilizan métodos de aproximación
DFT fue propuesta por Walter Kohn La propuesta de DFT es utilizar a la densidad
electrónica del sistema en lugar de una función de onda compleja.
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CASTEP Software basado en la Teoría de Las Funcionales de la
Densidad (DFT) Utiliza ondas planas
Creado originalmente por M. C. Payne y otros académicos de Cambridge
Puede calcular: Información sobre la energía total de un sistema Fuerzas y esfuerzos Realiza la optimización geométrica Estructura de Bandas Propiedades ópticas Entre otras…
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PASOS PARA LOS CÁLCULOS
1. Encontrar un modelo que reproduzca los parámetros experimentales del Ge cristalino
Se hicieron cálculos con diferentes combinaciones de parámetros en CASTEP
Se compararon los resultados y se definió la metodología
2. Aplicar el método a nanoalambres de Ge
3. Aplicar el método para nanoalambres de Ge pasivando la superficie con H
La finalidad es observar los efectos que tiene un elemento en la superficie.
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PARÁMETROS DEL GERMANIO CRISTALINO
Reproducir los datos experimentales del Germanio cristalino Tipo y tamaño de brecha Brecha indirecta (0.744 eV)
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PARÁMETROS DEL GERMANIO CRISTALINO
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Ultra-suave no reproduce el tipo de brecha y Conservar de la Norma sí.
GGA-RPBE es valor más cercano a la brecha prohibida experimental (0.744 eV)
Funcional Pseudopotencial Brecha Prohibida (eV)
LDA/CA-PZ Ultra-Suave 0.3387
GGA/PBE Ultra-Suave 0.0007
GGA/RPBE Ultra-Suave 0.0008
GGA/PW91 Ultra-Suave 0.0006
LDA/CA-PZ Conservador de la Norma 0.3557
GGA/PBE Conservador de la Norma 0.5494
GGA/RPBE Conservador de la Norma 0.6528
GGA/PW91 Conservador de la Norma 0.5660
OPTIMIZACIÓN GEOMÉTRICA Es el estado de mínima energía
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Jorge Arturo Tokunaga Pérez
OPTIMIZACIÓN GEOMÉTRICA Es el estado de mínima energía
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BANDAS ENERGÉTICAS PARA LOS NANOALAMBRES
Jorge Arturo Tokunaga Pérez
Nanoalambres Dimensiones (Å) Brecha (eV)
Sin pasivar
Ge 4.093 0.000
Ge 4.981 0.000
Ge 5.657 0.000
Pasivados
H-Ge 3.893 3.951
H-Ge 4.297 3.399
H-Ge 5.762 3.221
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BANDAS ENERGÉTICAS PARA LOS NANOALAMBRES
Jorge Arturo Tokunaga Pérez
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.03.0
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
4.0
Bre
cha (eV
)
Dimensiones (Å)
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BANDAS ENERGÉTICAS PARA LOS NANOALAMBRES
Jorge Arturo Tokunaga Pérez
Jing, M., et al., J. Phys. Chem. B, 110(37), 18332 (2006).
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CONCLUSIONES El explotar todo lo que el campo de lo nano ofrece, se verá
reflejado en un mayor número de opciones con que el ingeniero pueda dar solución a distintos problemas.
El mejoramiento de las baterías, es necesario pues la exigencia energética aumenta día con día.
Al mejorar cualquier dispositivo, una de las principales preocupaciones del fabricante es que al mejorar las características de su producto, no sacrifique su portabilidad (volumen), es por esto que se propone el uso de Ge.
Los resultados obtenidos, al ser comparados con resultados teóricos y experimentales, validaron el modelo propuesto en esta tesis.
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CONCLUSIONES Se encontró que independientemente del número de
átomos que hay en las aristas de la sección transversal, se pierde el carácter semiconductor; es decir, no hay brecha de energía prohibida.
Cuando la superficie de los nanoalambres es pasivada con H se observó que se recupera el carácter semiconductor y que conforme se incrementan las dimensiones, la magnitud de la brecha tiende al valor de la del Germanio cristalino.
Se espera que al modelar nanoalambres de Ge pasivados superficialmente por Li, los efectos repulsivos Coulombianos en la superficie, sean muy parecidos a los presentados con H.
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